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1、http:/-1-低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机设计方法低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机设计方法 胡春胜，程果 武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉(430071)E-mail: 摘摘 要：要：井筒是地面和井下联系的重要通道，根据相关规范，冬季气温低于一定温度时，井筒必须进行防冻设计，因此井筒防冻设计有着重要而特殊的意义。我国传统井筒防冻热媒多采用蒸汽或高温水。低温水作为热媒能否用于井筒防冻，又如何用于井筒防冻设计，在国内尚无相关的理论研究和工程实例运用。本文针对以上问题，首先给出传统井筒防冻的设计方法，然后结合传统设计方法，提出低温水作为热媒、采用无风机方式的井筒防冻设计方法。最后结合

2、工程实际，对两者计算方法和结果进行对比、分析，总结出一套全新而且完整的低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机设计方法。关键词：关键词：井筒防冻；无风机方式；低温水；空气加热 0.引言引言 井筒是地面和井下联系的重要通道，是矿井的咽喉。在矿区室外温度低于 0时，如果井筒防冻问题解决不好，矿井井筒因淋水遇低温空气而结冰，坠冰将砸坏提升系统，并导致伤亡事故。煤炭工业矿井设计规范（GB50215-94）规定：“当采暖室外计算温度等于或低于-4地区的进风立井、等于或低于-5地区的进风斜井和等于或低于-6地区的进风平峒，当有淋帮水、排水管和排水沟时，应设置空气加热设备。”即要进行井筒防冻设计。井筒防冻措施为：

3、将部分空气经加热设备加热后，送至井筒与井筒入风混合，混合后的空气温度不低于 2，以达到井筒防冻的目的。关于井筒防冻方式，煤炭工业矿井设计规范（GB50215-94）规定：“通过加热器加热后的热风计算温度，按热风与冷风混合地点及条件可采用下列数值当在井筒内混合时：立井可取 6070，斜井及平硐可取 4050。加热空气的热媒，宜采用高温水。当采用蒸汽热媒时，蒸汽压力不应低于 0.3MPa，并应有可靠的疏水装置，冷凝水应返回锅炉房。”同时，根据 简明供热手册 规定：“热水供暖供水温度低于 100者称为低温热水供暖，高于 100者，称为高温热水供暖。”，如果工程的热媒为二次管网提供的 80/60低温水

4、，热媒温度偏低，极可能会导致加热后的空气并不能满足井筒防冻设计要求的温度，所以低温水并不适合用来作为井筒防冻的热媒。但若在空气流动方向串联多排空气加热器，对空气进行多次加热，从定性的角度分析，用此方法来再次提高被加热空气温度是可行的，但是在井筒防冻无风机方式设计中却极少采用此种方式。平煤集团天安五矿集中供热改造工程中，为了配合整个工业广场热网改造，井筒防冻的热媒为热水管网提供 80/60的低温水。如果按照规范，井筒防冻则必须重新设计新的管网系统或者设计辅助加热设施，使其热媒变为高温水或者蒸汽。但是这样会增加工程造价和延长施工周期，增加管理难度。因此研究采用低温热水进行井筒防冻设计，此时具有特殊

5、意义。本文结合平煤五矿工程实际，提出一种新方法，并与传统设计方法进行比较。1.传统井筒防冻的无风机方式设计方法传统井筒防冻的无风机方式设计方法 1）需加热风量：lhlhttttMM=011 (1)http:/-2-式中：M井筒进风量，kg/s；1M通过空气加热器的风量，kg/s；热量损失系数，密闭时取 1.101.15；ht冷、热风混合后空气温度，；lt室外计算温度，；0ht加热后热风出口温度，。2）加热器计算有效截面积：()=1Mf2 (2)式中：f 加热器计算有效截面积，m2；()通过加热器计算有效流通截面积的空气质量流速，井口房密闭时取 24kg/(m2)。3)初选空气加热器：查阅相关空

6、气加热器样本，初步确定空气加热器的型号，确定实际单排有效截面积为f、实际单排传热截面积为F和传热系数K，传热系数中系数p和指数q可从实用供热空调设计手册中查取。4）实际空气质量流速为：()fM1=2 (3)5）平均温差：220lhwhwgpttttt+=式中：whwgtt、热水供、回水温度，(4)6）所需热量：)(01lhttcMQ=1 式中：c空气比热，1.01kJ/(kg)(5)7）所需传热面积：ptKQF=2 (6)2.低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机设计方法低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机设计方法 当空气加热器在空气流动方向串联布置时，其传热系数和平均温差和单排布置时有较大差别，冷

7、空气经过每排空气加热器后所得到的温升不可能相同，后排加热器的空气温升小于前排加热器的空气温升。如果按照传统设计方法将多个单排布置情况下简单的相加起来计算，是不准确的。必须把多排组合起来作为一个整体考虑计算，下面就提出低温水为热媒井筒防冻的无风机设计方法：2.1 引入四个参数引入四个参数 1）空气加热器结构和性能参数：()qppcFfB=13 (1)2）两排相邻空气加热器的温升比：5.05.0+=BBr 3 (2)http:/-3-3）空气加热器的特性系数：rCln1=3 (3)4）空气加热器的排数：0lnhvlvttttCN=3 (4)上述公式（1）（4）为蒸汽作为热媒时，串联布置空气加热器的

8、计算方法，如果是低温水时，上述公式显然不适用，我们必须引入一个新参数 加热器热媒平均温度：2whwgpjttt+=(5)我们用pjt来取代vt，所以上述公式可变为：空气加热器的排数：022lnhwhwglwhwgttttttCN+=+(6)2.2 初选空气加热器：初选空气加热器：查阅相关空气加热器样本，初步确定空气加热器的型号，确定实际单排有效截面积为f、实际单排传热截面积为F和传热系数K，传热系数中系数p和指数q可从实用供热空调设计手册中查取。当选用 SRL-1710/2 型空气加热器，时同时考虑到井筒防冻的特殊要求：加热器计算有效流通截面积的空气质量流速，井口房密闭时取 24kg/(m2)

9、。我们联立(1)、(2)、(3)、(6)，可建立适用于低温水用于井筒防冻的空气加热器 C 值表：表 1 SRL-1710/2 空气加热器 C 值 v kg/(m2)1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 C 0.841 0.926 1.012 1.092 1.170 1.246 v kg/(m2)3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 C 1.320 1.395 1.465 1.535 1.603 1.672 以后在进行低温水作为热媒用于井筒防冻设计时，我们可通过计算所得的实际空气质量流数，查上表来直接确定空气加热器排数，非常方便。2.3 校核验算校核验算 当空气加热器串联布置

10、时，我们不能沿用传统的算数平均温差，而选用对数平均差更为准确，同时考虑到低温水作为热媒的特殊性，低温水作为热媒的平均温差mt如下式：平均温差：0022lnhwhwglwhwglhmttttttttt+=(7)所需传热面积：ptKQF=2 (8)综上所述，低温水作为热媒的计算方式可简化为：确定实际空气质量流数；查表 1；通过公式(7)和(8)经行校核验算。http:/-4-3.两种设计方法用于井筒防冻实际工程的计算比较两种设计方法用于井筒防冻实际工程的计算比较 平煤天安五矿副井井筒为立井，井筒直径 6.5m，井筒进风量 60m3/s，室外计算温度（平顶山历年极端最低温度平均值）-10.7，热媒采

11、用 80/60的热水。将空气加热至 60，再送至副井井筒混合至 2。目前井筒防冻方式较多，主要分为井口房不密闭加热方式（有风机方式）和井口房密闭加热方式（无风机方式）。由于平煤五矿副井井筒进风量较大，室外进风温度也较低，需要的热负荷偏大，所以一般来说多采用无风机方式。再者，若采用有风机方式，则必须修建热风道，但该项目属于平煤天安五矿集中供热改造工程子项目，经过现场勘测，发现重新修建热风道比较困难，而且还会增加建筑结构投资费用和设备运行费用，同时还会延长施工周期和影响井下生产。所以综上分析，该井筒防冻采用无风机方式更为合理。计算结果的比较见表 2。传统井筒防冻的无风机布置方式：井口房上部单排满布

12、置 14 台 SRL-1710/2 型空气加热器（通风净截面积f：0.74m2，散热面积F：73.6m2，传热系数：()CmWpKoq=2/丆）低温水作为热媒用于井筒防冻布置方式：井口房上部双排满布置共 28 台 SRL-1710/2 型空气加热器（通风净截面积：0.74m2，散热面积：73.6m2，传热系数：()CmWpKoq=2/丆）表 2 平煤五矿两种井筒防冻设计方法比较 传统井筒防冻无风机方式传统井筒防冻无风机方式 低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机方式低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机方式 参数参数 计算结果计算结果 参数参数 计算结果备注计算结果备注 1M（kg/s）16 N 2

13、f(m2)10.36 C 0.96 CN08.2=F(m2)1030.4 F(m2)1757 K(W/m2)18.3 K(W/m2)19.2 (kg/(m2)1.54(kg/(m2)1.9 可由表 2 查出 pt()45.4 pt()33.9 该平均温差为对数平均温差 Q (kW)1143 Q (kW)1143 F (m2)1376 F (m2)2060.8 布置方式：14 台并联，2 排串联对于传统井筒防冻无风机方式：由于FF,所以不能满足井筒防冻设计规范的要求。从现场情况看，五矿副井井口房上的单排最多也只能并联 14 台；从理论分析，即使能再单排并联空气加热器，也只能增加井筒中被加热的空气

14、量，而无法提高被加热后的空气温度。造成这一问题的根源在于热媒温度过低。解决既要满足井筒防冻的要求，又必须使用低温水作为热媒的矛盾，唯一的解决方法就是低温水多排布置空气加热器。对于低温水作为热媒用于井筒防冻的无风机方式：由于FF，且富余系数：17.117578.2060%100=FF 根据计算耗热量确定空气加热器的散热面积时，还应考虑散热器翅片松动和被污染等因素，一般情况下，增加 1.151.25 的富裕系数，所以该设计完全符要求。http:/-5-4.结语结语 通过以上分析可知，低温热水作为热媒用于井筒防冻的无风机方式设计方法从技术上完全可行，特别是针对平煤五矿集中供热改造项目中，无法使用蒸汽

15、或高温热水作为热媒时，有着很大的使用价值。该方式可以直接使用二次管网低温水作为热媒，无需专门为井筒防冻再设计单独的新管道系统和热源系统或将低温水加温变成高温水或是蒸汽的辅助加热系统。从而很大程度上节省了工程投资和缩短了施工周期。以低温水作为热媒井筒防冻的设计方法，加热器布置排数可以是两排或者是多排，只需根据 N 的取值不同来确定。同时，该方法既可以作为无风机方式空气加热器的计算方法，同样还可以作为有风机方式串联布置空气加热器的设计方法，所以该方法提出了低温水作为热媒井筒防冻串联布置空气加热器的全新的设计方法。虽然本文探讨的是煤矿井筒防冻设计，但是由于在设计方法的推导上具有通用性，所以该方法也可

16、用于其它类型矿井的井筒防冻设计，只是根据其它类型矿井井筒防冻要求的不同，对公式中某些参数局部调整即可。当然也应该看到此方式存在的问题，比如串联布置必然会增加风系统阻力，而且会增加空气加热器的数量，同时采用无风机方式对井口房密闭要求较高等。由于本文重点在讨论空气加热器的设计方法，而上述问题其它有关文献也有说明，所以本文这里就不再作详细论述。随着平煤集团各矿区集中供热改造工程的实施，各矿区必须取缔自备小锅炉，有些矿区必须统一使用集中供热管网的热水（也有一些矿区使用蒸汽供热管网），而根据平煤集团坑口电厂相关技术协议：集中管网的一次水不允许直接使用,并且二次水供、回水温度必须为 80/60。所以在井筒防冻的设计上，平煤五矿出现的这种问题，在平顶山矿区具有普遍性。参考文献参考文献 1 赵以蕙主编.矿井通风与空气调节.中国矿业大学出版社 2 陆耀庆主编.实用供热空调设计手册.中国建筑工业出版社 3 陆亚俊.一种空气加热器选择计算方法.暖通空调.1998 年第 28 卷第 4 期：4952 4 贺平主编.供热工程.中国建筑工业出版社 5 高红宇.煤矿井筒防冻方式比较.煤炭工程.2004 年第 4 期